農(nóng)村電網(wǎng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

趙文平 孔祥宇 周湛宇

摘要：農(nóng)村地區(qū)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，其電網(wǎng)建設(shè)對于支撐整體經(jīng)濟(jì)活動至關(guān)重要。然而，當(dāng)前的農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)仍然存在諸多問題，如基礎(chǔ)設(shè)施落后、運(yùn)行效率低下等。為了解決這些問題，借助先進(jìn)的技術(shù)，對農(nóng)村電網(wǎng)進(jìn)行智能化改造。本文將深入探討農(nóng)村電網(wǎng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，包括智能電網(wǎng)控制中心、智能變電站以及智能線路技術(shù)等方面的最新研究成果。通過對這些技術(shù)的深入分析，旨在找到優(yōu)化農(nóng)村電網(wǎng)運(yùn)營的有效路徑，以供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村電網(wǎng)；智能化；建設(shè)；技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20240925

一、目前農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀分析

數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，農(nóng)村地區(qū)仍有約10%的村莊尚未接入穩(wěn)定的電網(wǎng)供電。與此同時，農(nóng)村電網(wǎng)的故障率是城市電網(wǎng)的兩倍。這一現(xiàn)狀反映出農(nóng)村電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相對滯后，仍然依賴傳統(tǒng)的建設(shè)方式和技術(shù)。根據(jù)近年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，農(nóng)村地區(qū)的電力損耗率達(dá)到8%，而同期城市地區(qū)的電力損耗率僅為5%。這種損耗主要來自農(nóng)村電網(wǎng)中存在的過時設(shè)備、電線老化和管理不善等因素。此外，在過去的五年中，農(nóng)村電網(wǎng)事故的數(shù)量是城市電網(wǎng)的三倍，其中，由于老舊設(shè)備和維護(hù)不當(dāng)造成的事故占比高達(dá)70%。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，可知農(nóng)村電網(wǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行效率和安全性方面存在問題。這不僅影響了農(nóng)村居民的生活質(zhì)量，也為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了障礙。而隨著科技的進(jìn)步，智能技術(shù)提供了解決問題的新途徑。農(nóng)村電網(wǎng)智能化不僅能夠有效提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，還能夠通過先進(jìn)的監(jiān)控和管理系統(tǒng)，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，智能電網(wǎng)還可以為農(nóng)村地區(qū)帶來更多的發(fā)展機(jī)會，如新能源的接入和發(fā)電量的優(yōu)化管理。因此，農(nóng)村電網(wǎng)的智能化建設(shè)不僅是一種技術(shù)升級，更是對農(nóng)村地區(qū)未來發(fā)展的重要保障。

二、智能配電網(wǎng)的主要特點

智能配電網(wǎng)作為現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)的重要方向，具備一系列獨特而卓越的特點，讓它在電力系統(tǒng)中占據(jù)了核心的地位。

首先，自適應(yīng)性是智能配電網(wǎng)的特點之一。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)設(shè)計固定且僵化，當(dāng)遇到異常或突發(fā)情況時，難以及時作出調(diào)整。相比之下，智能配電網(wǎng)能夠依據(jù)實時數(shù)據(jù)、用戶需求和電網(wǎng)狀況，動態(tài)地進(jìn)行自我調(diào)整和優(yōu)化。例如，當(dāng)某一區(qū)域的電力需求突然增加時，智能配電網(wǎng)可以自動重新分配電力，確保穩(wěn)定供電，從而避免大范圍的停電和設(shè)備損壞。

其次，智能配電網(wǎng)的互聯(lián)性也十分出色。在高度數(shù)字化的時代，各種設(shè)備和系統(tǒng)都互相連接，形成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。智能配電網(wǎng)通過高度的通信和控制技術(shù)，將發(fā)電、輸電、配電、儲能等多個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合起來，形成統(tǒng)一的整體。這不僅使得電網(wǎng)的運(yùn)營更為高效，還能夠?qū)崿F(xiàn)多種資源的互補(bǔ)和整合，為用戶提供更加穩(wěn)定和清潔的電力。

最后，智能配電網(wǎng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)往往缺乏有效的數(shù)據(jù)采集和處理手段，而智能配電網(wǎng)則通過先進(jìn)的傳感器和計算平臺，實時地收集、傳輸和分析大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅幫助電網(wǎng)運(yùn)營商了解電網(wǎng)的實時狀況，還可以通過深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，預(yù)測未來的電力需求和潛在的風(fēng)險，為決策提供有力的支持。

三、農(nóng)村電網(wǎng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）智能電網(wǎng)控制中心

農(nóng)村電網(wǎng)的智能化是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵部分，其中，智能電網(wǎng)控制中心又是其中的重要組成部分，它作為整個電網(wǎng)的大腦，負(fù)責(zé)監(jiān)控、控制和管理各個子系統(tǒng)，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定、高效和安全運(yùn)行。

1.可視化的操作平臺

在現(xiàn)代的電力系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。無論是設(shè)備的狀態(tài)、電流的流動還是系統(tǒng)的性能，都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。因此，如何高效地理解和使用數(shù)據(jù)，成為電網(wǎng)運(yùn)營的重要挑戰(zhàn)。這正是可視化操作平臺發(fā)揮其作用的地方。

可視化操作平臺采用先進(jìn)的圖形用戶界面，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖表和動畫，為操作人員提供直觀、易于理解的界面。例如，電網(wǎng)的實時狀況可以通過一個動態(tài)的電網(wǎng)拓?fù)鋱D來展示，其中每個節(jié)點、線路和設(shè)備都有其獨特的顏色和形狀，反映其當(dāng)前的狀態(tài)和性能。

此外，可視化操作平臺還提供了多種工具和功能，幫助操作人員迅速定位故障和異常。例如，當(dāng)某個設(shè)備出現(xiàn)問題時，該設(shè)備在拓?fù)鋱D上會變色或閃爍，引起操作員的注意。

2.預(yù)測功能

預(yù)測功能是智能電網(wǎng)控制中心的核心技術(shù)之一。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和模型的建立，預(yù)測功能可以為電網(wǎng)運(yùn)營商提供關(guān)于未來的有價值的信息，幫助其提前做好準(zhǔn)備和決策。

預(yù)測功能的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。首先，電網(wǎng)運(yùn)營商需要收集大量的歷史數(shù)據(jù)，包括電力需求、設(shè)備狀態(tài)和故障記錄等。接著，運(yùn)營商使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如回歸、分類和聚類等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立預(yù)測模型。

設(shè)Y為未來的電力需求、X為歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測模型可以表示為：

其中，是一個機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如線性回歸、決策樹或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

通過預(yù)測模型，電網(wǎng)運(yùn)營商不僅可以預(yù)測未來的電力需求，還可以預(yù)測設(shè)備的壽命、維護(hù)的時間和可能的故障。這種預(yù)測功能為電網(wǎng)運(yùn)營商提供了前瞻性的視角，幫助其優(yōu)化資源的分配、降低運(yùn)營成本和提高服務(wù)質(zhì)量。

3.調(diào)度與交易功能

隨著全球電力市場的日益復(fù)雜化，電網(wǎng)與各種參與者——包括生產(chǎn)商、消費(fèi)者和中間商——的互動也變得越來越緊密。這些互動不僅包括電力的買賣，還涉及各種復(fù)雜的合約、價格機(jī)制和市場規(guī)則。因此，如何在這樣一個復(fù)雜的環(huán)境中確保電力的穩(wěn)定供應(yīng)，成為電網(wǎng)運(yùn)營商的首要任務(wù)。

調(diào)度與交易功能正是為了解決這一問題而生。它通過先進(jìn)的算法和數(shù)據(jù)分析，為電網(wǎng)運(yùn)營商提供了自動化、高效和智能的決策工具。例如，當(dāng)電網(wǎng)的供應(yīng)出現(xiàn)短缺時，調(diào)度功能可以自動計算并決定從哪個生產(chǎn)商購買電力，以及購買的數(shù)量和價格，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

設(shè)為電網(wǎng)的需求、為電網(wǎng)的供應(yīng)、為電力的成本，調(diào)度函數(shù)可以表示為：

其中，為購買的電力量；是最低的電力成本。

4.虛擬電廠

在快速發(fā)展和競爭激烈的電力市場中，如何提高電網(wǎng)的運(yùn)營水平，成為電網(wǎng)運(yùn)營商的核心關(guān)注點。虛擬電廠技術(shù)正是為了解決這一問題而生，借助先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，虛擬電廠可以模擬真實的電網(wǎng)運(yùn)行狀況，為操作員提供一個安全的實驗環(huán)境。與真實的電網(wǎng)相比，虛擬電廠具有更高的靈活性和控制性，可以幫助操作員快速地測試和驗證各種策略、設(shè)備和技術(shù)。例如，電網(wǎng)運(yùn)營商要測試一個新的調(diào)度算法，首先在虛擬電廠中進(jìn)行測試，觀察其對電網(wǎng)的影響，然后決定是否在真實的電網(wǎng)中實施。這種方法不僅節(jié)省了成本，還大大提高了電網(wǎng)的安全性和可靠性。

此外，虛擬電廠還可以用于培訓(xùn)新的操作員。在真實的電網(wǎng)環(huán)境中，任何錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。但在虛擬電廠中，操作員可以自由地嘗試和學(xué)習(xí)，不用擔(dān)心風(fēng)險和損失。

5.鏡像

在電網(wǎng)的運(yùn)營中，數(shù)據(jù)無疑是最寶貴的資源。每一剎那的電力流動、設(shè)備狀態(tài)以及用戶行為都會生成大量的數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)運(yùn)營商提供決策的基礎(chǔ)。因此，如何確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性，成為智能電網(wǎng)控制中心的重要任務(wù)。鏡像技術(shù)正是為了解決這一問題而生。它通過實時地備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)運(yùn)營商提供安全的數(shù)據(jù)環(huán)境。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或遭受攻擊時，運(yùn)營商迅速恢復(fù)數(shù)據(jù)，確保電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

6.智能保護(hù)整定

電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開各種保護(hù)設(shè)備的工作。這些設(shè)備通過實時地監(jiān)測電網(wǎng)的狀態(tài)，及時作出反應(yīng)，防止電網(wǎng)的過載、短路和故障。但在快速變化的電力市場中，如何確保設(shè)備的正確和高效工作成為重要的問題。

智能保護(hù)整定技術(shù)基于實時的電網(wǎng)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的算法，自動調(diào)整保護(hù)設(shè)備的參數(shù)。例如，當(dāng)某個線路的電流超過閾值時，保護(hù)設(shè)備會自動增大其敏感度，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

其中，是保護(hù)設(shè)備的電流閾值；是線路的最大電流。

7.電網(wǎng)安全監(jiān)測

電網(wǎng)的安全不僅關(guān)乎每個用戶的利益，還關(guān)乎整個社會的穩(wěn)定。因此，如何確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行，成為電網(wǎng)運(yùn)營商的首要任務(wù)。

電網(wǎng)安全監(jiān)測技術(shù)正是為了解決這一問題而生。它通過各種傳感器和檢測設(shè)備，實時監(jiān)測電網(wǎng)的物理和網(wǎng)絡(luò)安全狀況。例如，當(dāng)某個線路的溫度超過閾值時，監(jiān)測設(shè)備會自動發(fā)出警報，提醒運(yùn)營商采取措施。

（二）智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)

隨著電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，變電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也正經(jīng)歷著一場技術(shù)革命。傳統(tǒng)的變電站往往依賴人工進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，而現(xiàn)代的智能變電站則采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，為電網(wǎng)運(yùn)營商提供了更加高效、安全和穩(wěn)定的服務(wù)。

1.自治技術(shù)

電網(wǎng)系統(tǒng)中每個設(shè)備、線路和節(jié)點都可能成為故障的源頭。因此，如何快速、準(zhǔn)確地定位并處理故障，成為變電站的重要任務(wù)。

通過實時地監(jiān)測變電站的狀態(tài)，自治技術(shù)可以自動識別并處理各種故障，無須人工干預(yù)。例如，當(dāng)某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，自治技術(shù)會自動將其與電網(wǎng)隔離，并通知運(yùn)營商進(jìn)行維護(hù)。

其中，是故障檢測率；是故障設(shè)備的數(shù)量；是設(shè)備的總數(shù)量。據(jù)統(tǒng)計，利用自治技術(shù)，變電站的故障檢測率提高了約30%。

2.實時建模技術(shù)

為了確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)營商需要進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控和分析。實時建模技術(shù)為運(yùn)營商提供動態(tài)、高分辨率的變電站模型，幫助其了解變電站的實時狀況和潛在的風(fēng)險。基于傳感器收集的大量數(shù)據(jù)，實時建模技術(shù)可以生成一個與真實變電站相對應(yīng)的數(shù)字模型。這種模型不僅可以反映變電站的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，還可以模擬各種電力流動和故障。

3.協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

各個變電站需要相互協(xié)調(diào)，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)通過先進(jìn)的通信和計算技術(shù)，為變電站提供自動化、高效的協(xié)調(diào)平臺。例如，當(dāng)某個變電站的電力供應(yīng)出現(xiàn)短缺時，協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)會自動向其他變電站請求支援，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)顯示，利用協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)，變電站的電力調(diào)度效率提高了約40%。

（三）智能線路的關(guān)鍵技術(shù)

智能電網(wǎng)中的電線不僅僅是傳統(tǒng)意義上的導(dǎo)電線路，它們在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中起到了更加復(fù)雜和智能的作用。為了滿足可靠、高效和環(huán)保的電力傳輸需求，智能線路集成了一系列先進(jìn)的技術(shù)，為現(xiàn)代社會提供穩(wěn)定的電力服務(wù)。

1.基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)

隨著電網(wǎng)的擴(kuò)展和更新，傳統(tǒng)的線路基礎(chǔ)設(shè)施需要持續(xù)優(yōu)化和升級。基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)旨在提高線路的傳輸效率和可靠性，降低能源損失和環(huán)境影響。這涉及線路的材料、設(shè)計和制造技術(shù)。例如，超導(dǎo)線路技術(shù)利用了特定溫度下材料的零電阻特性，大大提高了電力的傳輸效率。

其中，表示線路的能源損失；是電流；是線路的電阻。當(dāng)使用超導(dǎo)線路時，由于接近零，因此也將大大減少。

2.智能檢修和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，及時檢修和維護(hù)是至關(guān)重要的。然而，傳統(tǒng)的檢修方法往往依賴人工，既費(fèi)時又費(fèi)力，智能檢修和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)為運(yùn)營商提供了自動化、高效和準(zhǔn)確的解決方案。利用先進(jìn)的傳感器和通信技術(shù)，智能線路可以實時監(jiān)測其狀態(tài)，自動識別并報告各種故障和異常。例如，當(dāng)線路出現(xiàn)短路或過載時，傳感器會立即檢測到這一變化，并自動發(fā)送警報，通知運(yùn)營商采取措施。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)還允許運(yùn)營商在遠(yuǎn)程中心實時地查看和控制線路的狀態(tài)，大大提高了檢修的效率和效果。

四、結(jié)語

農(nóng)村電網(wǎng)智能化建設(shè)是一項長遠(yuǎn)且復(fù)雜的任務(wù)，存在挑戰(zhàn)和機(jī)遇。而智能技術(shù)，如智能電網(wǎng)控制中心、智能變電站和智能線路的關(guān)鍵技術(shù)，提供了解決問題的可能途徑。這些技術(shù)的實施不僅可以提高電網(wǎng)的運(yùn)營效率，還可以確保電網(wǎng)的長期安全和穩(wěn)定。未來，隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和逐步完善，農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)將逐漸朝向更加智能、高效和環(huán)保的方向發(fā)展。每個技術(shù)進(jìn)步都代表著對農(nóng)村地區(qū)居民生活質(zhì)量的改善和對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的提振，而背后的每個創(chuàng)新都離不開科研人員、技術(shù)工程師和電網(wǎng)運(yùn)營商的共同努力和追求。相信在不遠(yuǎn)的未來，智能電網(wǎng)將成為農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的堅實后盾，也會成為推動社會進(jìn)步的重要力量。

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作者簡介：趙文平（1988），男，北京市人，碩士，工程師，研究方向為電能替代及綜合能源。